多功能電阻測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
回路電阻測(cè)試儀和直阻儀是電力設(shè)備設(shè)施檢測(cè)的常用設(shè)備?；芈冯娮铚y(cè)試儀是用于測(cè)量開關(guān)、斷路器、變壓器等設(shè)備的接觸電阻、回路電阻的專用測(cè)試設(shè)備，其測(cè)試電流為100 A或更大的直流電流，也被稱為“接觸電阻測(cè)試儀”[1]。直阻儀是用于測(cè)量變壓器、互感器、電機(jī)繞組等感性被測(cè)對(duì)象的直流電阻的專用測(cè)試設(shè)備，也被稱為“直流電阻快速測(cè)試儀”[2]。
接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀是用于測(cè)量交流電網(wǎng)供電的電器設(shè)備（如家用電器、電動(dòng)電熱器具、醫(yī)用電氣設(shè)備及測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用電氣設(shè)備等）的可觸及金屬殼體與該設(shè)備引出的安全接地端（線）之間導(dǎo)通電阻的儀器。
回路電阻測(cè)試儀、直阻儀和接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀都是測(cè)量電阻的儀器[3]，采用典型的四線制測(cè)量法，通過輸出一個(gè)直流或交流電流，施加于被測(cè)體的兩個(gè)端鈕之間，并測(cè)量電流流過被測(cè)體所產(chǎn)生的壓降，然后通過電壓和電流之比得出被測(cè)體的電阻值。根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求，這三類儀器需檢定項(xiàng)目基本一致，本文提出的多功能電阻測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)，摒棄傳統(tǒng)電阻箱方案，采用精密仿真電阻技術(shù)和大電流測(cè)量技術(shù)，可模擬連續(xù)1uΩ~3.75Ω任意電阻值，能滿足大部分回路電阻測(cè)試儀、直阻儀及接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀的檢定需求。
2.技術(shù)原理及其實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)是基于電流型有源模擬器設(shè)計(jì)的，采用直流比較儀作為電流轉(zhuǎn)換裝置。依據(jù)《DL/T 967-2005回路電阻測(cè)試儀與直流電阻快速測(cè)試儀檢定規(guī)程》，有源模擬電阻器包括電流型有源模擬電阻器和電壓型有源模擬電阻器。電流型有源模擬電阻器相相比電壓型有源模擬電阻器降低對(duì)無源標(biāo)準(zhǔn)電阻器的功率要求，由于沒有實(shí)際的電流功耗，避免了無源標(biāo)準(zhǔn)電阻器在大電流測(cè)試時(shí)溫漂影響[4]。
本系統(tǒng)中難點(diǎn)在于電流轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)，因需要將被檢測(cè)試儀產(chǎn)生高達(dá)600 A的大電流按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流，轉(zhuǎn)換精度直接影響模擬電阻精度。本系統(tǒng)采用新型直流比較儀[5]進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，相比傳統(tǒng)的直流比較儀能夠快速捕捉電流的快速變化，且測(cè)量頻率范圍寬（見圖1）
圖1新型直流比較儀
Fig.1 A improved DC comparator
該直流比較儀由雙鐵芯疊加繞線而成。S、C為A和B共同繞組，S為磁通檢測(cè)繞組，C為比較儀次級(jí)繞組，N4單獨(dú)繞制在鐵芯A上，為激勵(lì)繞組。其中鐵芯A由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作，鐵芯B由低導(dǎo)磁率鐵氧體材料制作。
圖2鐵芯B測(cè)量電路
Fig.2 Measuring circuit of iron core B
圖2為鐵芯B測(cè)量電路圖。實(shí)現(xiàn)原理：S線圈檢測(cè)磁通經(jīng)過磁通檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，控制功率放大器增大或減少輸出，流經(jīng)次級(jí)繞組電流隨之增加或減小，通過不斷的調(diào)節(jié)，最終使得鐵芯B達(dá)到磁平衡。系統(tǒng)平衡建立的時(shí)間不超過1μs。通過標(biāo)準(zhǔn)電阻R進(jìn)行電流采樣，測(cè)試得到Us。從而可以計(jì)算出IP值。同時(shí)磁通信號(hào)可作為報(bào)警信號(hào)等狀態(tài)信號(hào)。
式中：k為比例常數(shù)。
3.系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)原理
系統(tǒng)是基于電流型有源模擬電阻器原理進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)的，將被檢測(cè)試儀產(chǎn)生的大電流輸入到本系統(tǒng)的電流轉(zhuǎn)換模塊按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流，通過精密電阻轉(zhuǎn)換成小電壓，后經(jīng)過電壓采樣及增益模塊放大成比例電壓信號(hào)輸入到分壓模塊，由控制器進(jìn)行控制其分壓比，最后經(jīng)過緩沖電路輸出給被測(cè)儀器的電壓采樣端，形成測(cè)試回路。通過由微控制器控制分壓模塊電路中的分壓比調(diào)節(jié)檢定時(shí)檢點(diǎn)電阻的阻值。電壓采樣及程控放大模塊輸出另一路電壓輸入到A/D采樣模塊，由控制器進(jìn)行運(yùn)算出對(duì)應(yīng)的示值電流及做相關(guān)分析。原理框圖如圖3所示。
圖3系統(tǒng)原理框圖
Fig.3 Schematic diagram of the system
被檢測(cè)試儀輸出大電流I1經(jīng)過寬頻直流比較儀轉(zhuǎn)換成小電流I2
式中I1—被檢測(cè)試儀產(chǎn)生的大電流
k—寬頻直流比較儀變比。
小電流I2經(jīng)過精密電阻電路后得到電壓U2
式中R—精密電阻的阻值。
電壓U2經(jīng)過電壓采樣及增益模塊后得到電壓U3
式中k1—U2經(jīng)過電壓采樣及程控放大模塊電壓信號(hào)放大比例系數(shù)。
電壓U3送入A/D采樣模塊，由控制器運(yùn)算對(duì)應(yīng)的示值電流及做相關(guān)運(yùn)算分析，經(jīng)過分壓模塊輸出電壓值U1。
式中k2—U3經(jīng)過分壓模塊由控制器設(shè)定的放大比例系數(shù)。
因此被檢電阻測(cè)試儀所測(cè)得的實(shí)際電阻值R1
系統(tǒng)中精密電阻的阻值R為固定值，信號(hào)放大比例系數(shù)k1、直流比較儀變比k值保持不變。因此檢定時(shí)，微控制器控制分壓模塊中的分壓比即k2值便可調(diào)節(jié)出不同的檢定電阻阻值。
3.2 硬件設(shè)計(jì)
考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)，采用最新架構(gòu)嵌入式微處理器加外圍設(shè)計(jì)電路搭建的平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
Fig.4 Hardware structure of the system
3.2.1 電源模塊
整個(gè)電源模塊的設(shè)計(jì)采用線性電源，且數(shù)字部分和模擬部分相互隔離，模擬部分各路電源供電也相互隔離或用磁珠相連，減少電源的紋波和噪聲對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的干擾及減少系統(tǒng)之間各部分相互干擾，保證整個(gè)系統(tǒng)的高精度及高線性度。
3.2.2 數(shù)字部分
微處理器具體采用新架構(gòu)的微處理器，具有強(qiáng)大的處理能力及豐富的接口，本設(shè)計(jì)在其上移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及相關(guān)調(diào)度。微處理器內(nèi)部集有設(shè)計(jì)中常有的資源，本設(shè)計(jì)用到的資源，如圖4中數(shù)字部分：3個(gè)獨(dú)立的USART接口，一個(gè)連接顯示模塊，為面板顯示提供人機(jī)界面，工作時(shí)顯示出整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況并通過LCD上的觸摸屏與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，一個(gè)連接按鍵組，使用戶操作更加方便快捷，一個(gè)通過RS232電平轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)提供連接接口；1個(gè)IIC接口，連接存儲(chǔ)芯片來增加存儲(chǔ)空間；2個(gè)SPI接口，一個(gè)連接模擬部分的DA乘法器設(shè)定分壓模塊的放大比例系數(shù)，一個(gè)連接模擬部分A/D轉(zhuǎn)換器，獲取采樣的電壓信號(hào)并運(yùn)算對(duì)應(yīng)的示值電流及做相關(guān)運(yùn)算分析；部分的GPIO接口，控制模擬部分的程控放大及獲取報(bào)警狀態(tài)等。
3.2.3模擬部分
系統(tǒng)在基于電流型有源模擬電阻器原理基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)的，如圖4模擬部分：保護(hù)電路：保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)被檢測(cè)試儀產(chǎn)生的大電流超過系統(tǒng)所能承受的范圍時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)通過MCU控制蜂鳴器給用戶發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)斷開測(cè)試回路，保護(hù)系統(tǒng)不被檢測(cè)儀產(chǎn)生的大電流損壞；寬頻直流比較儀：將被檢測(cè)試儀產(chǎn)生的大電流按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流。差分采樣：與精密電阻R一起將小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，差分采樣大大降低了前端采樣共模噪聲的干擾；增益：通過MCU控制實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)不同量程下對(duì)應(yīng)比例的放大；A/D轉(zhuǎn)換器：將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過隔離的SPI接口送入到MCU，運(yùn)算出對(duì)應(yīng)的示值電流及做相關(guān)分析；DA乘法器：MCU通過電氣隔離的SPI接口控制DA乘法器輸出來調(diào)節(jié)分壓比達(dá)到系統(tǒng)調(diào)節(jié)電阻阻值的目的。
3.3軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)[6]作為開發(fā)平臺(tái)，具體流程如圖5所示。
（一）初始化，將操作系統(tǒng)、程序變量及硬件相關(guān)配置進(jìn)行初始化；
（二）創(chuàng)建任務(wù)，包括建立按鍵響應(yīng)任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)、顯示任務(wù)、通信任務(wù)、故障處理任務(wù)等；
（三）任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)通過液晶屏、觸摸屏和按鍵旋鈕等和用戶進(jìn)行交互，調(diào)用程序中的相關(guān)任務(wù)線程控制相關(guān)硬件完成電流測(cè)量、報(bào)警處理、誤差計(jì)算、電阻值設(shè)置、參數(shù)設(shè)置等功能。
圖5程序流程圖
Fig.5 The program flow chart
4.系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果
4.1驗(yàn)證電路
參考《JJG l66—93直流電阻器》檢定規(guī)程采用伏安法進(jìn)行校準(zhǔn)，以驗(yàn)證多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度是否符合設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。可調(diào)恒流源提供了測(cè)試的電流，量程為0～600 A；電流轉(zhuǎn)換器和電壓表一起組成了電流測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。整個(gè)校準(zhǔn)方案測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。
圖6多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置框圖
Fig.6 Block diagram of multifunction calibration system
4.2數(shù)據(jù)分析
多功能校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量。
4.2.1電流測(cè)量誤差
表1為20 A量程下在不同電流測(cè)試時(shí)的相對(duì)誤差，相對(duì)誤差小于0.011%。
表2為100 A量程下在不同電流測(cè)試時(shí)的相對(duì)誤差，相對(duì)誤差小于0.01%。
4.2.2電阻誤差
表3為75 mΩ時(shí)不同測(cè)試電流下的實(shí)際電阻值，其相對(duì)誤差小于0.003％。表4為固定測(cè)試電流100 A時(shí)模擬大功率電阻不同阻值時(shí)的誤差，從表中可看出，其相對(duì)誤差都在0.004％ 內(nèi)。這是由于系統(tǒng)采用的器件件如直流比較儀、差分采樣放大器、信號(hào)放大器、D/A轉(zhuǎn)換器等都是高線性度元件，保證系統(tǒng)的高線性度。經(jīng)過多次及不同阻值及電流下的測(cè)試驗(yàn)證，系統(tǒng)模擬輸出電阻準(zhǔn)確度都能在0.02%范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。
5.結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的多功能電阻測(cè)試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)在傳統(tǒng)電流型有源模擬電阻器有所創(chuàng)新，采用精密仿真電阻技術(shù)和大電流測(cè)量技術(shù)，并將三類儀器檢定裝置合并，電阻值可設(shè)置范圍廣，可模擬連續(xù)1uΩ~3.75Ω任意電阻值，達(dá)到10nΩ的分辨力和0.02級(jí)的精度；測(cè)試電流范圍大，最高可達(dá)600 A和0.02級(jí)的精度，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平，滿足三類儀器的檢定要求，已廣泛應(yīng)用于回路電阻測(cè)試儀、直阻儀和接地導(dǎo)通電阻測(cè)試儀等儀器的檢定工作。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]JJG1052-2009,回路電阻測(cè)試儀、直阻儀檢定規(guī)程[S].
[2] DL/T967-2005,回路電阻測(cè)試儀與直流電阻快速測(cè)試儀檢定規(guī)程[S].
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